基于ArcGIS与Photoshop制作3D地形图

陆世安 龚德红

摘  要：3D地形图是一种用三维形式对地形进行可视化表达的数字地图。三维地形图能立体地模拟出地貌特征，可以为用户提供视觉反馈，带来身临其境的感受和体验，让人们能更轻松地对地图进行查看、理解和研究，对三维地理信息的模拟和三维可视化技术研究有着重要意义。运用ArcGIS软件对地图进行场景转换，通过拉伸地形图的海拔高度，对地形图进行三维效果显示，并导入二维矢量数据，制作成具有立体效果的3D地形图。通过对图像灰度值及光影变换关系的研究，运用Photoshop软件对上述数据集进行渲染，使之呈现出三维仿真效果，制作3D地形图，实现3D地形图的可视化。

关键词：ArcGIS；Photoshop；3D；地形图；可视化研究

中图分类号：P284      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0139-04

Abstract： 3D topographic map is a kind of digital map which visually expresses the terrain in three-dimensional form. 3D topographic map can simulate geomor phological features stereoscopically， provide visual feedback for users， bring immersive feeling and experience， and make it easier for people to view， understand and study the map. It is of great significance to the research of 3D geographic information simulation and 3D visualization technology. It is suggested to use Arc GIS software to transform the scene of the map， stretch the altitude of the topographic map， display the topographic map with three-dimensional effect， and import two-dimensional vector data to make a 3D topographic map with three-dimensional effect. Through the study of the gray value of the image and the relationship between light and shadow transformation， the above data set is rendered by Photoshop software， which shows the effect of 3D simulation， makes 3D topographic map， and realizes the visualization of 3D topographic map.

Keywords： ArcGIS; Photoshop; 3D; topographic map; visualization research

地形图是将地表上的基础地理信息和地形起伏详细表示的地图。3D地形图依据一定的地图投影方法，并按照一定的比例，通过制图综合，利用数字高程模型[1]（Digital Elevation Model，简称DEM）在制图软件中制作地形的三维模型，使地形图呈现立体效果[2]。基于ArcGIS和Photoshop制作3D地形图是利用ArcGIS软件对数据进行预处理，在ArcGIS中对DEM数据进行三维模型的构建，再利用山体阴影工具和在Photoshop中的渲染操作使数据呈现三维立体效果，最终制作成3D地形图。

1  二维地形图到三维地形图的比较

以二维平面方式来呈现现实世界，必然会造成空间信息压缩后的大量丢失和无法真实、直观地模拟现实世界，平面化的数据形式也无法对立体目标进行三维可视化，在地理信息的管理和应用上无法达到智慧城市的智能化管理的最新要求。由于此类缺陷，三维地形图代替二维地形图逐渐在展示地理空间信息的道路上发展壮大，地图的外形特征也由平面地图向三维电子地图的表现形式转变，GIS的研究从平面层面上升到了空间层面。三维激光扫描等技术的不断提高，也使得三维GIS的研究与应用得到了新的发展。

大数据时代，随着信息技术和虚拟技术的进步和提升，数字城市项目建设的相关技术逐渐成熟[3]，三维地理信息系统的需求也随之增长。

2  3D地形图制作相关规范

2.1  空间参考系

数字地形图产品所采用的空间参考系应符合国家相关标准规范。数字地形图产品应采用以下投影。

1∶1 000 000地形图应采用正轴等角割圆锥投影。

1∶25 000～1∶500 000地形图应采用高斯-克吕格投影，按照6度分带。

1∶5 000～1∶10 000地形图应采用高斯-克吕格投影，按照3度分带。

1∶500～1∶2 000地形图应采用高斯-克吕格投影，按照3度分带。也可以采用高斯-克吕格投影，以任意经度作为中央经线。

其他非基本比例尺的数字地形图产品需要对空间参考进行以下描述：椭球体名称或椭球体参数、坐标系的名称、地图投影的名称及其参数。

2.2  制图符号

地形图制图符号相关规范如下。

符号分为3类：依比例尺符号、半依比例尺符号、不依比例尺符号符号的定位。

2.3  符号使用标准和方法

当地理要素过于繁杂，地图上各元素符号发生重叠时，需按投影的上下关系进行处理，使投影的上层保持完整。若地图要素过于密集而产生矛盾时，需按照避让关系进行处理，即次要地理要素需避让主要地理要素；人工建造的地物需避让自然地理要素；其他地理要素需避让独立地物。

3  3D地形图制作的数据预处理

在对数据进行分析和运用的前期准备工作称为数据预处理，其通过一些方法将数据进行提取和调整数据的格式，将繁杂的数据组成一套统一、完整且符合规范的数据集，为数据的后续处理及分析等工作提供基础。

3.1  数据坐标转换

下载的DEM数据和DLG数据的参考系是不一致的，如DEM使用的是WGS 1984坐标系，而下载的矢量数据有些却不是WGS 1984参考系。为了保证数据的一致性，DEM数据和DLG数据的坐标系需要统一转换到WGS 1984参考系[4]。

3.2  数据裁剪

由于本文所需数据为研究区区域的数据，而下载的数据为重庆的DEM数据和全国的二维矢量数据，裁剪掉超出研究范围的数据，只保留研究区的DEM数据和地形数据，以保证后续3D地形图制作的顺利进行。对数据进行裁剪首先需要提取出裁剪的范围，而诸如水系、道路等数据，则直接使用裁剪工具，将研究区要素作为裁剪范围，提取与裁剪范围相重叠的要素即可裁剪出研究区的水系、道路等数据。

3.3  二维矢量数据的分类

下载的二维矢量数据，如道路数据没有将其中的铁路、公路或轨道交通的数据进行分类，这些数据都存储在道路要素中，为了保证数据的合理性，需要对其进行分类并单独提取出来[5]。对图层的符号进行形状、颜色的设计和调整，方便后续工作的进行。

3.4  生成等高线

等高线可以在ArcGIS软件中利用DEM数据直接生成，生成的等高线数据可以运用在Photoshop对3D地形图的渲染中。在ArcGIS中使用等值线工具，通过调整等值线间的距离，可以根据DEM的栅格表面创建不同间距的等高线，通过对比生成的不同间距的等高线要素图像，可以选择出合适间距的等高线以便后续Photoshop对3D地形图的渲染作用。生成了10、15及20 m间距的等高线，对比后发现15 m间距的等高线更适合于后续渲染工作，如图1所示。

3.5  导出数据备用

将视图转换到布局视图，选择插入地图框，将处理好的道路、水系、15 m间距的等高线和全国县级城市矢量数据加载到地图框中，调整矢量数据的颜色和线条粗细，插入指北针和比例尺，调整其大小及位置，根据调整其图层可见性，依次将水系、铁路、公路、轨道交通、指北针和比例尺图层导出为图片格式（本文采用png格式），为后续Photoshop对3D地形图的渲染工作做数据准备[5]。

4  基于ArcGIS的3D地形图制作

基于ArcGIS制作3D地形图是利用DEM数据，结合高程三维模型，实现地形图的三维可视化。

4.1  山体阴影

在ArcGIS中，可以使用山体阴影工具，通过利用光照源的角度和阴影变换关系，根据DEM表面栅格，创建地形地貌进行晕渲的图层。经过山体阴影处理的图像可以根据光照和阴影模拟出真实的地形起伏，使DEM呈现出3D效果，在Photoshop中对其进行进一步的调整和渲染，使其更加美观，呈现出更好的立体效果[6]，如图2所示。

4.2  DEM的三维模型构建

在ArcGIS Pro中可以通过三维场景的转换，将DEM加载进3D地图中，然后通过对DEM的高程数据进行拉伸，对DEM进行三维模型的构建，使之呈现三维效果，以此来制作3D地形图[7]。此操作只是利用DEM生成了三维模型，还远远达不到需要的效果，这时可以通过对颜色的调整以及对DEM的三维模型进行添加基底的操作丰富此三维立体模型，使其更符合人们审美，更具观赏价值。

本研究采用青绿色的配色方案并对其颜色进行了适当调整，使其呈现出合适的显示效果。给三维模型创建3D边界和基底，使其呈现“瀑布图”的效果。将水系、道路等数据添加进来，使用符号系统对图层符号进行调整，制作出完整的研究区3D地形图。

最后，将制作好的三维模型添加进布局视图，将水系、道路等数据添加进来，使用符号系统对图层符号进行调整，并对地图进行整饬，对图廓资料进行完善，制作出完整的研究区3D地形图，如图3所示。

4.3  数据导出

新建布局，选择插入地图框，将山体阴影和调整配色后没有添加边和基底的DEM三维模型加载进布局中，根据调整其图层可见性，依次将两图层导出为图片格式，便于后续Photoshop对3D地形图的渲染工作。

5  基于Photoshop的3D地形图渲染

Photoshop在3D地形图中的渲染是运用Photoshop软件的工具和功能对地形图的色彩进行调整并对其进行光影渲染。

根据对地形图进行渲染的原则，即对地势较低的区域增加暗度，增加地势较高区域的明度，通过对局部区域的层次区别，增强平地与山地在亮度和对比度上的差别，使地形图上地势的高低差异更加明显，使地图上的山脊更加突出，使3D地形图更加立体、直观、自然、生动，实现更好的可视化效果。

通过Photoshop对3D地形图进行渲染主要是运用Photoshop软件对地形图图像的亮度、对比度及色相、饱和度等参数进行调整，使地形图的层次和光影效果对比更加强烈，使3D地形图更贴合真实效果并更符合大众审美[8]。

5.1  数据准备

在Photoshop软件右下角图层管理器中新建一个图层填充为白色背景，使用裁剪工具将图像裁剪至合适范围作为地形图的布局。依次置入山体阴影、道路、水系图片，可以看到图片具有白色背景，这里以山体阴影为例。

点击Photoshop软件顶部状态栏的选择窗口，选择使用色彩范围工具，选择取样颜色，点击图片上白色的部分将白色背景添加到取样，选择反相就可以选取到所需的山体阴影图像，再利用调整边缘工具，将不带白色背景的山体阴影图像输出到新建的带有蒙版的图层，如图4所示，这样就可以利用蒙版提取出不带背景的山体阴影图层，其余图层也按此方法将背景删除。

将DEM三维模型图片置入Photoshop，使其转换为栅格图层，使用自由变换、操纵变形、斜切等工具对图像进行处理，将其调整为贴合山体阴影的形状，再将此图层放置在山体阴影图层之下，作为地形图的阴影，使山体阴影浮于底图之上，使地形图呈现出立体效果[9]。

5.2  3D地形图的渲染过程

在Photoshop中新建一个图层，将背景用油漆桶工具填充为橙色，将图层设置为柔光效果，使图像呈暖色，调整其不透明度参数至合适的数值，通过与其余图层的叠加，使地形图更加接近真实的光影效果。依次调整等高线、道路、水系图层的不透明度，让图层更好地融合。

选择水系图层，将图层设置为正片叠底效果，右键使图层栅格化，选择混合选项，调整光泽和颜色叠加的参数，观察图像，使其呈现合适的颜色。然后点击顶部状态栏的滤镜选项卡，选择模糊→高斯模糊，调整参数值，柔化图像的边缘，使水系图像更好地融入到地形图中。

5.3  3D地形图的整饬

在地形图四周使用白色云朵笔刷为其添加云朵，选择云朵图层，为其新建矢量蒙版，在蒙版上使用灰色柔边圆画笔在云朵下方添加阴影，降低不透明度，使云朵显得更加真实，然后置入指北针和比例尺图像，对地形图进行美化，最终成果如图5所示。

6  结束语

本文对3D地形图制作的相关规范进行阐述，依照标准对收集的数据进行预处理，对整理好的数据进行坐标变换，将空间参考统一为国家CGCS 2000坐标系，对数据进行裁剪，裁剪出研究区范围内的数据，并对道路和水系等二维矢量数据进行分类提取，为后续制作3D地形图研究的顺利进行奠定了基础。

使用ArcGIS软件的山体阴影工具，通过对光照角度的调整，可以使DEM呈现出立体效果，切换场景为全局场景，通过设置地形图海拔高度的拉伸系数，对研究区三维地形模型进行构建，实现地形的三维可视化。使用Photoshop对3D地形图进行渲染：运用Photoshop软件对地形图图像的亮度、对比度以及色相、饱和度等参数进行调整，使地形图的层次更加分明，颜色更加饱满具有观赏性，最终进行地形图的整饬并对图廓资料进行补充完善，制作成一幅符合审美的研究区3D地形图，得到了理想的效果。

在此基础上，还可以对其他软件或插件在构建三维模型，制作三维地图并实现三维可视化方面的应用进行深入研究，比如利用3D Map Generator插件，通过切换三维视角对地理信息进行三维模型的快速构建和显示，并通过对气象元素的叠加快速生成三维示意地形图，实现三维可视化功能。通过探索更多制作3D地形图的方法并与其产生的效果进行对比，对实现的各种方法进行多维度的可行性分析。

参考文献：

[1] 廖菊燕.基于BIM+GIS的室内外三维一体化系统设计与实现[J].科技资讯，2024，22（1）：18-21.

[2] 吴晓刚.地理信息系统中GPS控制测绘技术的应用与研究[J].科技资讯，2024，22（1）：51-55.

[3] 陈建胜.基于无人机光学影像的城市建筑物三维信息提取技术研究[D].中国科学院研究生院，2012.

[4] 程刚，郭磊善.基于GIS的公交换乘网络构建及可达性分析[J].江苏大学学报（自然科学版），2024，45（2）：191-197.

[5] 郑昀豪，潘福全，张同，等.基于图像自动识别技术的交通标志牌融雪系统[J].科技创新与应用，2024，14（8）：54-57.

[6] 宋亚婷，曹琳，李虹，等.一种基于视频流的无人机实时三维模型重建技术[J].科技创新与应用，2024，14（7）：1-4.

[7] 陈浩钦.关于ArcGIS的地形图空间管理技术研究[J].信息记录材料，2024，25（1）：121-123.

[8] 安萌，李成皓，马金凤.地理信息数据保护措施研究[J].科技创新与应用，2024，14（6）：136-139.

[9] 于士祥，李乐梅，杨琪瑶，等.促进时空可达的高校新校区步行路网优化——以重庆医科大学缙云校区为例[J].西南大学学报（自然科学版），2024，46（3）：201-210.